上跨盾构隧道的抗拔桩-管幕门式加固体系的刚性连接关键技术研究

上跨盾构隧道的抗拔桩-管幕门式加固体系的刚性连接关键技术研究

吕辉

中铁四局集团有限公司 合肥

摘  要：随着城市化进展的加快，地下空间交叉开发利用越来越多地以不同形式展现在工程实体中，本文以郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程六个连接通道工程为背景，探讨紧邻上跨盾构隧道箱涵顶进施工技术及控制要点在实体工程中的应用。

关键词：紧邻；盾构隧道；箱涵；顶进

1 引言

近年来随着城市发展的需要，地铁、地下停车场、地下商场等地下建筑越来越多的被广泛采用。随着城市规划的进一步完善，地下空间资源的深度应用，地下既有建筑物的保护是施工过程中面临的困境和必须解决的难题。地铁盾构隧道建设施工过程中，管片安装完成后，通过注浆加固，填充管片外与土体之间存在的间隙，消除盾构推进时对土体造成的扰动，使盾构隧道结构与土体之间达到应力自平衡，同时可以防止管片及土体沉降等。上跨地铁盾构隧道箱涵顶进施工时，需卸载盾构隧道顶部的土方，导致盾构隧道自身的受力体系被打破。在自身应力自平衡及施工所产生的外力作用下，盾构管片将产生较大的变形位移。因此在施工之前如何对盾构隧道进行加固，在施工过程中如何将对盾构隧道的影响降到最低，是施工时必须解决和面临的难题。

2工程概况

郑州东广场地下空间项目由A、B、C、D四个地下空间组成，整体地下空间被郑州地铁1号线沿东西方向分为两部分，为确保地下空间项目的整体性，设计采用6个上跨地铁1号线连接通道，将整个地下空间连为一个整体，由我单位负责施工6个连接通道。

六个连接通道沿南北走向，并跨越郑州地铁1号线，其中1~4号连接通道跨越郑州东站~博学路站区间，5~6号连接通道跨越博学路站~市体育中心站区间，均处于地铁保护限界之内。连接通道顶进基坑采用钻孔桩+冠梁锁扣围护形式。为防止施工导致地铁隧道隆起变形，设计采用Φ800@1500全护筒抗拔桩+Φ1200@1500管幕+注浆门式加固措施。其中全护筒抗拔桩距离地铁隧道边最小距离5.1m，管幕距离地铁隧道边最小距离2.1m，最大距离5.03m。

图2-1 六个连接通道平面布置图

图2-2 通道整体模型图

3 研究方向

本工程施工主要技术难点及控制点在于对地铁隧道抗拔桩+大直径钢管幕门式加固施工。对抗拔桩——管幕门式体系的刚性连接控制技术及对地铁的加固原理分析；首先需要弄清抗拔桩——管幕门式体系的抗浮作用机理，在此基础上再对抗拔桩——管幕结构体系对既有地铁区间的加固原理与加固的有效性进行分析。其次，由于抗拔桩与既有地铁区间隧道近接，因此对抗拔桩的施工工艺有较高的要求，需要对抗拔桩的施工工艺原理进行研究；其三，抗拔桩——管幕门式结构体系的刚性连接是保证该结构体系稳定的重要因素，因此有必要研究抗拔桩——管幕门式结构体系刚性连接的控制技术。

3.1  抗拔桩——管幕门式加固体系数值分析

为了研究抗拔桩-管幕的门式加固作用，通过设置对照组的方式进行数值模拟研究。对照组采用与实际工况相同的结构、土层参数，区别在于对照组内不设置抗拔桩和管幕结构，直接进行箱涵的顶进模拟。

本次计算以本项目1号通道为例进行展开说明，计算模型为长60m×宽46m×高50m，本工程地下水位较深（不考虑），具体如图3.1-1所示。

图3.3-1 数值计算模型

3.2计算假定

（1）假设在小变形的情况下，隧道位移与土体位移相容。参照历史工程的实践及现场实测结果表明，在小变形的情况下，地铁隧道位移和土层位移基本一致，满足位移相容假设。

（2）各土层在模型范围内是均匀分布的，基坑支护结构及地铁结构变形、受力均在弹性范围内；

（3）基坑开挖时间较短，不考虑土体固结的影响。

3.3计算参数

土体选择修正的摩尔库伦（Modified Mohr-Coulomb）模型，相对于Mohr Coulomb模型，这是个材料模型更加详细的模型，弹性模量可根据加载和卸载设置为不同的值。由初始偏应力引起的轴应变和材料刚度的减小，虽然类似于双曲线（非线性弹性）模型，但相对于弹性理论，更接近塑性理论，并且考虑岩土不同的膨胀角及采用屈服帽。

各层土体及结构体参数取值见表3.3-1、3.3-2。

表3.3-1 土体参数表

表3.3-2 结构参数表

其中管幕结构参数取值说明如下，根据钢管混凝土的截面刚度计算公式，求得管幕的截面刚度。为简化计算，将管幕视作同种材料后，得到

。同理重度γ也是混凝土和钢管根据各自重度及体积等效计算得来的。

3.4对照组及试验组模型图

根据以上分析，建立数值模型，计算模型中围岩采用实体单元模拟，本构关系为修正的莫尔-库伦屈服准则，管幕、抗拔桩采用梁单元模拟，管片和箱涵结构采用板单元模拟，支撑箱涵的立柱每隔4米设置一根，用桁架单元模拟。对照组不设置抗拔桩和管幕，实验组对应实际施工采用的工况。具体模型见图3.4-1和图3.4-2。

图3.4-1 对照组模型图

图3.4-2 实验组模型图

3.5数值计算结果及分析

研究可知，箱涵顶进对既有隧道的位移影响最大值发生在拱顶，因此本节通过比较两种工况下，既有隧道拱顶的位移最大值来讨论抗拔桩-管幕门式结构的加固作用。

图3.5-1 对照组隧道竖向位移云图

图3.5-2 试验组隧道竖向位移云图

为了直观的表现既有隧道的位移规律，在结果图中标记最大值，发现最大位移都发生在拱顶，施作抗拔桩和管幕结构的试验组最大隆起值为1.78mm，不设抗拔桩和管幕的对照组的最大隆起值为6.73mm，是试验组的3.8倍。说明抗拔桩-管幕门式结构能有效控制下卧既有隧道的隆起变形，加固作用明显。

4施工监测技术及控制要点

该工程施工传统的监测技术在高密度行车的轨行区内无法实施，且不能满足对大量数据采集、分析以及及时准确反馈的要求，因此需采用自动化程度和精度高的远程自动化监测系统对既有运营线的结构变形和轨道变形进行即时监控量测。该系统在量测部位安装的测量元件、数据传输线、监控室的终端计算机组成。

图4-1  盾构隧道监测系统图

（1）监测范围

根据本工程影响范围，既有新博区间隧道纵向约550m、既有博市区间纵向约220m，总计约770m长度范围为主要监测区域，每10m左右设置一个监测断面，通道部位4.5m设置一个监测断面。

（2）监测项目、频率与周期

对地铁运营线路的自动化监测一般情况下2h/次，当施工影响较大或出现变形征兆时加密监测频率。

图4-2  盾构隧道监测点布置图

自施工前1月测定初始值开始，直至本工程施工完成 1 年之后且结构变形稳定后。 变形稳定标准为最后 100 天的平均速率不大于 0.01mm/d。

（3）监测控制值

隧道结构：

① 隧道结构绝对竖向位移量≤15mm，绝对水平位移量≤15mm（相对于现状，包括各种加载和卸载的最终位移量）；

② 隧道结构纵向变形曲线的曲率半径>15000m；相对变曲<1>；

③ 隧道结构径向收敛≤15mm（相对于现状）；

④ 管片接缝张开量<2mm；

⑤ 管片裂缝：管片不得有内外贯穿裂缝和宽度大于 0.2mm 的裂缝及混凝土剥 落现象。

⑥ 由于打桩振动、既有结构破除等工程活动产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s；

轨道结构：

轨道横向高差<4mm，轨向高差（矢值度）<4mm，轨间距-2~+6mm，水平及水平三角坑高低差<4mm>；道床脱空量≤4mm。

5地铁隧道门式加固施工工艺及控制参数

本工程施工主要技术难点及控制点在于地铁隧道抗拔桩+大直径钢管幕门式加固施工。通过抗拔桩与管幕连接点施工质量控制完成地铁隧道门式加固设计到实体工程的转换，实现节点的刚性连接可最大限度的降低地铁隧道不定向位移变形。管幕顶进方向及标高施工质量控制直接影响后期箱涵顶进施工，因此管幕顶进方向施工质量控制是本工程施工过程控制的另一要点。

5.1  整体施工流程

图5.1-1  通道施工整体流程图

5.2  抗拔桩施工

本工程通道主体的抗拔桩距离郑州轨道1号线隧道结构边最小的仅有5.1m，考虑到对地铁结构的保护性，本工程对抗拔桩施工的成孔质量要求极高，不允许在成孔的过程中发生塌孔的现象，以避免对土体产生较大扰动从而引起地铁隧道的变形。为确保抗拔桩施工安全，本项目拟采用全套管跟进成孔工艺施工抗拔桩，其中全套管跟进成孔工艺主要使用的机械为全套管回转钻机。

全套管回转钻机是能够驱动钢套管进行360°回转，并将钢套管压入的施工机械。该设备在作业时产生下压力和扭矩，驱动钢套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物进行切削，利用钢套管良好的护壁作用，用旋挖钻机对套管内土石方进行抓取外运，优点如下：

（1）无噪音、无振动、安全性高；

（2）不使用泥浆，作业面干净，环保性好，并避免了泥浆进入砼中的可能性，成桩质量高，有利于提高砼对钢筋的握裹力；

（3）施工钻进时可以很直观的判别地层及岩石特性；

（4）钻进深度大，根据土层情况，最深可达80m左右；

（5）成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精确到1/500；

（6）不会产生塌孔现象，成孔质量高。

图5.2-1  抗拔桩施工资源配置及工艺流程图

施工控制措施

（1）提前研读图纸，确定抗拔桩桩基距地铁盾构边线距离；采用全套管跟进成孔，套管不得拔除；

（2）优先施工距地铁较近的全套管跟进成孔灌注桩，形成支档后再施工距地铁较远的桩基；

（3）临近地铁钻孔桩施工前应备齐钢筋笼、焊接机具、人员等，成孔后迅速完成钢筋笼安放，导管安装，混凝土应在旁等候，快速完成水下混凝土灌注；减少成孔后等待时间，避免意外风险；

（4）在桩基与地铁隧道之间设置深层位移监测点，监测深层土体位移。

5.3管幕施工

本工程幕管均采用人工掘式顶管法顶进，即在施工时，采用人工的方法来破碎工作面的土层，破碎辅助工具主要有镐、锹以及冲击锤等，破碎下来的泥土或岩石选择通过轨道式土斗车输送。管幕采用Φ1200Q235C管，相邻管幕之间采用焊接的20号槽钢与25号工钢相互锁扣，单根管幕总长46m，管幕分节按照4*10m+6m配置，方便施工时，且可控制因管幕较长在顶进过程中产生绕曲变形。

图5.3-1  管幕钢性连接大样图

图5.3-2  管幕配节图（单位：cm）

（1）管幕安装

第一节管幕下到导轨上后，应测量管子的中线及前后端的管底高程，确认合格后方可顶进。第一节管子作为工具管，其顶进方向的准确度是保证整段顶管质量的关键。

在开始顶进前应检查下列内容，确认条件具备时方可开始顶进：

全部设备经过检查并经过试运转。主要包括液压、电器、压浆、气压、水压、照明、通讯、通风等操作系统是否正常工作，各种电表、压力表、换向阀、传感器、流量计等是否能正确显示其处于正常工作状态，然后进行联动调试，确认没有故障后，方可准备顶管始发。

顶管掘进机在导轨上的中心线、坡度和高程应符合规定。

（2）管幕顶进控制参数

① 初始顶进速度宜控制在10mm～20mm/min；

② 正常顶进时，顶进速度宜控制在20mm～30mm/min，出土量宜控制在理论出土量的98%～100%；

③ 钢管的顶进允许偏差：竖向≤20mm，水平≤20mm；

（3）顶管顶进方向控制

① 建立严格放样复核制度，做好原始记录，确保测量精确可控；

② 在顶管机进入土层过程中，宜每300mm测量一次顶管机的中心和高程；钢管正常顶进时，宜每顶进1000mm测量一次，纠偏时增加测量次数；

③ 必须避免后座墙在顶进时移位和变形，定时复测并及时调整。

④ 顶进纠偏须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10′～20′，不得大于0.5°，并设置偏差警戒线。

⑤ 初始推进阶段，纠偏要一方面减慢推进速度，一方面不断调整油缸编组和机头纠偏。

⑥ 顶进前必须对每一米、每节管的位置、标高事先计算，确保顶进姿态可控。

⑦ 管幕中心线测量采用激光经纬仪。

（4）顶进土方开挖作业

人工开挖时，管前挖土一般应在管内操作，以确保安全，土质容易塌方时必须随挖随顶，开挖控制是保证顶管质量及盾构隧道筑安全的关键，挖土应遵循下列规则：

① 一般顶管地段，如果土质良好，可超越管端30～50cm；

② 在不允许土质下沉的顶管地段，管子周围一律不得超挖；

③ 在一般顶管地段，管外皮上顶允许超挖1.5cm，但下面135°度范围内不得超挖。

（5）分节管幕连接

上一节管幕顶进剩余1m时停止顶进施工，安装第下节管幕，下节管幕与前一节管幕采用焊接连接，依次类推，完成整根管幕的顶进施工。管幕顶进施工由中间向两侧推进施工。

图5.3-3  管幕顶进施工顺序图

待整根管幕施工完成后对管幕底以下与地铁隧道顶边缘1m以上H范围内的土体进行二测注浆加固。

二次注浆范围、浆液配比、注浆压力和注浆量必须严格按照设计要求执行，防止对地铁隧道造成不利影响；

图5.3-4管幕施工完成后二次注浆加固

（6）管幕与抗拔桩的刚性连接技术

① 为了保证抗拔桩成桩质量，抗拔桩超灌50cm～100cm，其超灌部分位置会侵入管幕顶进路径，顶进过程及时人工切除钢护筒及破除超灌的混凝土；

② 管幕顶进到设计位置后，在管幕抗拔桩投影位置开孔，接长拔桩桩顶钢筋（机械连接），保证抗拔桩桩头钢筋申入管幕内长度大于35d，并带15d弯头，采用L型定型钢板将抗拔桩护筒和管幕焊接连接，并对焊接质量100%进行探伤检测；

③ 完成上述工作后，对抗拔桩桩头进行清洗，采用抗拔桩同型号混凝土第二次灌注抗拔桩至设计标高，并采用C30微膨胀混凝土填充管幕。

图5.3-4 管幕-抗拔桩连接大样示意图

6结束语

本工程施工抗拔桩+大直径钢管幕门式加固及管幕顶进姿态控制为该项目施工技术控制要点及难点，在施工过程中通过各项技术参数的严格控制，最终顺利实现各项目标值。管幕抗拔桩施作后，地层和隧道发生整体沉降，既有隧道的最大沉降值为2.34mm；箱涵顶进后，地层和隧道发生整体隆起，既有隧道的最大隆起值为4.07mm；两次施工引起的位移叠加即可求得管幕——箱涵结构体系施工引起的既有隧道竖向位移表现为隆起，最大值为1.73mm，极大限度的减小了本工程施工对既有隧道的影响，保障了地铁的安全运营。

参考文献：

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